Расчет и выбор конструкции гидрометрического лотка на каналах водохозяйственных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации Россельхозакадемии им. А.Н. Костякова», г. Москва, РФ

Расчет и выбор конструкции гидрометрического лотка на каналах водохозяйственных систем

А.М. Кушер - канд. тех. наук

Аннотация

гидрометрический лоток русло

Разработан метод и компьютерная технология расчета и выбора гидрометрических лотков на основе гидромеханического подхода. Точность расчета расходной характеристики превышает существующие рекомендации к точности водоучета на каналах водохозяйственных систем [11]. Разработанные критерии и алгоритмы обеспечивают выбор конструкции с максимальными эксплуатационными и технико-экономическими показателями. Учитывая универсальность подхода, изложенный метод может быть использован для расчета широкого спектра гидрометрических устройств в открытых руслах.

The paper presents a new method and computer technology for calculation and selection of flow-measuring flumes based on hydromechanical approach. Its precision exceeds present requirement for flow measurement in open canals. Criteria and algorithms for selection of constructions with best operating characteristics are described. Taking into account its universality it can be used for designing and investigation of other types of flow meters in open channels.

Точность измерения расхода воды и правильность выбора гидрометрического устройства - залог экологически безопасного водопользования. Наиболее перспективными для применения на каналах водохозяйственных систем с точки зрения простоты, точности измерений, минимального подпора верхнего бьефа и устойчивости к затоплению со стороны нижнего бьефа являются лотки критической глубины. К тому же классу устройств относится водослив с широким порогом и наклонной передней стенкой.

Известно несколько методов расчета гидрометрических лотков и водосливов. В простейшем из них для учета влияющих факторов вводятся эмпирические коэффициенты для учета скорости подхода, местных потерь и формы горловины [1]. Этот метод наименее точен, так как область его применения ограничена в большинстве случаев неизвестными условиями нахождения эмпирических поправок. Основой существующих теоретико-эмпирических методов расчета гидрометрических лотков является известное выражение для расхода в канале с критическим уклоном. Расчетную зависимость расхода Q от геометрического напора h в верхнем бьефе получают из условия равенства полной энергии потока в контрольной секции и на входе сооружения. Без дополнительных поправок фактический расход через сооружение отличается от теоретического на 10...15%.

Известны два метода, основанных на указанном подходе. В первом из них предполагается наличие в горловине лотка пристенного пограничного слоя аналогичного течению на тонкой плоской пластине в бесконечном равномерном потоке. В методике расчета присутствуют нефизические допущения: пограничный слой начинается от входа в горловину и является ламинарным, критическое сечение расположено в конце горловины, кривизна линий тока в горловине равна нулю [2]. Расчет площади живого сечения и, далее, расхода выполняют с учетом толщины вытеснения в критическом сечении. Метод расчета, основанный на этом подходе, утвержден стандартом Великобритании и Международным стандартом ISO для расчета прямоугольных, трапецеидальных и полукруглых гидрометрических лотков [3].

Во втором методе, принимая глубину потока в горловине, равной критической, по формулам расчета равномерных потоков вычисляются энергетические потери на участке от конца горловины до измерительного сечения в верхнем бьефе, учитываемые далее при расчете энергии потока на входе сооружения [4]. В отличие от стандартизированного метода, в критическом сечении вычисляется коэффициент Кориолиса, значение которого определяется по формулам для открытого равномерного потока. В методику расчета включены уточняющие коэффициенты нефизического происхождения. Эта модель расчета лотков применяется в США [5].

К недостаткам этих методов можно отнести необходимость соблюдения условий, для которых получены эмпирические зависимости, в том числе нулевой уклон горловины, точное воспроизведение расчетной геометрии при строительстве, симметричность сооружения относительно оси канала, ограничение допустимого диапазона напоров и ряд других требований [3]. Калибровка сооружения после его строительства в большинстве случаев невозможна или сопряжена с трудоемкими измерениями методом «скорость-площадь».

Рассматриваемый метод расчета гидрометрических сооружений основан на численном решении системы осредненных уравнений Навье-Стокса, уравнения неразрывности и уравнения для расчета свободной поверхности [6]. Известные численные решения, обеспечивая качественное описание трансформации структуры потока в сооружении, имеют недостаточную для гидрометрического устройства точность расчета расходной зависимости - 4…16% [7…9]. Главным отличием предлагаемого метода от известных численных решений является учет предыстории подводящего потока [10]. Тестовые расчеты показали, что при изменении формы профиля скорости в верхнем бьефе от равномерного до параболического (1/7) погрешность расчета расхода уменьшалась на 3…4%.

Для программной реализации применен усовершенствованный алгоритм Sola-VOF с вновь разработанными граничными условиями. Форма расчетной сетки - прямоугольная. Входное граничное условие - профиль относительных скоростей: . В текущей версии программного обеспечения принята искаженно-параболичес-кая форма профиля скорости. Величина заглубления максимума профиля скорости вычисляется как функция отношения ширина - глубина канала, вид которой найден по данным [3]. При наличии перед сооружением прямого участка канала длиной более 20 глубин форма профиля скорости вычисляется, исходя из шероховатости стенок канала. В противном случае, форма профиля скорости определяется предварительным моделированием потока в верхнем бьефе.

Область численного расчета включает сооружение и короткие участки подводящего и отводящего каналов. Длина контрольной и сопрягающих секций лотка вычисляется согласно [3]. В отличие от обычной практики, для повышения точности задания нелинейных поверхностей и расчета потоков через грани элементарных объемов совмещены операции формирования геометрии сооружения и расчетной сетки. В результате, уровень воды в верхнем бьефе и твердые стенки канала и сооружения привязаны к узлам расчетной сетки.

Экспериментальная проверка показала, что погрешность расчета расхода в прямоугольном лотке критической глубины (B_t = 0,143 м) не превышает 1%, а в параболическом (K_t = 0,01406 м) - 2,7%.

По данным расчета поля скоростей и давлений сооружения вычисляется число Фруда Fr(t), значение которого на выходе контрольной секции в режиме свободного истечения Fr(t) > 1. Максимальное значение напора воды в нижнем бьефе, при котором Fr < 1 или имеет место девиация числа Фруда относительно среднего Fr = 1 (в переходном режиме), служит для оценки устойчивости конструкции к затоплению со стороны нижнего бьефа.

Для реализации изложенного метода разработан программный комплекс DisCo с общим графическим интерфейсом, обеспечивающий подготовку исходных данных, расчет и выбор оптимальной геометрии сооружения. Окончательный расчет выполняется после выбора конструкции при повышенной дискретизации расчетной области, величина которой определяется по минимальной глубине в режиме свободного истечения. Необходимыми для расчета параметрами являются геометрические и гидравлические параметры сопряженных каналов и шероховатость стенок сооружения. Рабочий диапазон расходов задается или вычисляется по результатам анализа режима течения в контрольной секции.

На этапе предварительного анализа гидравлические расчеты повторяются для различной геометрии сооружения, изменяемой в допустимых пределах с учетом профиля канала и текущих значений остальных геометрических параметров. В текущей версии DisCo предусмотрены прямоугольный, трапецеидальный, треугольный, циркулярный и параболический профили контрольной секции и изменяемая величина порога.

Выбор наиболее эффективной для эксплуатации конструкции производится путем анализа расчетных данных с помощью следующих параметров.

1. Величина подпора верхнего бьефа при максимальном расходе Дh_up . Критерий (Дh_up)_min применяется при малом запасе по глубине или в случае расчета сооружения для вновь проектируемого канала, когда велика неопределенность значения коэффициента шероховатости стенок канала.

2. Коэффициент предельного затопления со стороны нижнего бьефа S_d, отражающий надежность работы сооружения в подпорно-переменном режиме. Зависит от расхода и профиля контрольной секции.

3. Коэффициент линейности расходной зависимости K_L. Критерий (K_L)_max позволяет повысить точность измерений за счет отбраковки конструкций с большой крутизной функции h = f(Q).

4. Параметр г = dQ/Q при dh_up = const. Служит для согласования расходной зависимости сооружения с параметрами измерителя напора, погрешность измерений которого является функцией верхней границы шкалы.

5. Абсолютный Д_Q = Q_max - Q_min или относительный г_Q = Q_max/Q_min диапазоны измеряемых расходов.

6. Оценка совпадения расходных зависимостей подводящего канала и сооружения K_sed. Критерий (K_sed)_max применяется при установке сооружения в естественном русле или при высокой концентрации взвешенных наносов для минимизации заиления верхнего бьефа сооружения.

7. Объем сооружения в существующем канале V_str. Критерий (V_str)_min применяется для получения максимальной экономической эффективности строительства, в том числе для оценки строительных затрат, веса сооружения и необходимости дополнительного основания.

Для выбора сооружения с простой с технологической точки зрения формой предусмотрены дополнительные фильтры:

равная ширина по дну трапецеидального лотка и канала B_t = B_c;

равные коэффициенты откоса трапецеидального лотка и канала m_t = m_c;

равные значения радиуса цилиндрического лотка и канала R_t = R_c;

водослив с широким порогом (m_t = m_c, B_t = B_c + 2•m_c•p_t).

Выбор гидрометрического сооружения выполняется по одному или нескольким заданным в зависимости от условий эксплуатации критериям. Предусмотрены два модуля для группового применения критериев. В сценарии расчета по первому алгоритму перечисляются необходимые критерии, указывается очередность их применения и процентный объем выборки по отношению к объему предыдущей выборки. Окончательный выбор выполняется на последнем этапе - выбирается лучшая конструкция по результатам применения последнего критерия. Благодаря возможности регулирования приоритета и процентного объема выборки описанный алгоритм позволяет выбрать сооружение, максимально удовлетворяющее условиям эксплуатации. Процедура расчета по второму алгоритму предусматривает ранжирование всех конструкций по заданным критериям в порядке улучшения каждого параметра и, далее, выделение конструкции с максимальной суммой рангов. Данный алгоритм менее гибок, чем предыдущий, но менее трудоемок. Как показали контрольные расчеты, применение этого алгоритма наиболее эффективно при малом разбросе и небольшом числе анализируемых параметров.

Библиографический список

Филиппов Е.Г. Гидравлика гидрометрических сооружений для открытых потоков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990.

Ackers P., White W.R., Perkins T.A., Harrison A.J. Weirs and Flumes for Flow Measurement. Chichester- New York- Brisbane- Toronto, John Wiley and Sons, 1978.

ISO 4359 «Liquid flow measurement in open channels - Rectangular trapezoidal and U-shaped flumes». - Geneva, ISO, 1980.

Bos M.G., Replogle S.A., Clemmens A.J. Flow Measuring Flumes in Open Channel Systems. Chichester- New York- Brisbane- Toronto- Singapore, John Wiley and Sons, 1984.

Water Measurement Manual. US Department of the Interior. Bureau of Reclamation, 2010.

Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Bounduries, J.Comp.Phys, 39, 201, 1981.

Hirt C.W., Williams K.A. Predictions for Free Discharge

and Submerged Parshall Flumes. Flow Science Technical Note, No 40, August 1994.

Oh, Byoung-Dong; Kim, Kyong-Ho; Lee, Whang-Gi; An, Sang-Do. Flow Analysis of Parshall Flume Using FLOW-3D. Journal of Korea Water Resources Association, Volume 37, May 2004, pp.375-386.

Davis R.W., Deutsch S., Numerical А. Experimental Study Of Parshall Flumes. J. Hydraulic Research, v.18, 1980, No2, pp. 135-152.

Кушер А.М. Компьютерная технология расчета гидрометрических сооружений. //Мелиорация и водное хозяйство. 2004. № 5.

11. Кизяев Б.М., Погодаев А.Е., Филиппов Е.Г. Водопользование и водоучет на водохозяйственных и мелиоративных системах агропромышленного комплекса страны. - М.: ВНИИГиМ, 2004.

Размещено на Allbest.ru